用于三维结构的增材制造的系统和方法
【专利说明】用于三维结构的増材制造的系统和方法
[0001 ] 先前申请的交叉引用
[0002]根据巴黎公约，本申请要求在2013年6月13日提交的美国申请号61/834,420的优先权，该申请以引用的方式并入到本文中。
技术领域
[0003]本发明大体而言涉及从数字文件三维(3D)打印和生成三维生物结构。具体而言，本发明涉及用于制造三维载细胞水凝胶结构的系统、设备和方法。
【背景技术】
[0004]三维打印，一种增材制造(AM)形式，是从数字文件直接创建三维物体的过程。软件用来将计算机辅助设计(CAD)模型或物体的三维扫描分成许多薄截面层。这些层集合被发送到AM系统，其中，该系统逐层建置三维物体。每一层沉积到先前层顶部直到完全构建了物体。能使用支撑材料来支撑物体的悬挂和复杂特征。存在各种AM过程，其能用塑料、金属、陶瓷和/或生物材料来建置零件。
[0005]增材制造可以应用于生物系统中。例如，直到近来，在二维(2D)表面诸如微井孔板和皮氏培养皿上执行大部分细胞培养研究。然而，二维培养系统并未模仿细胞在体内存在的三维环境。研究者发现三维细胞培养的行为比二维细胞培养至少部分地更像天然生物组织，因为在天然组织中的细胞的三维布置影响细胞-细胞相互作用，而这会影响细胞生长和生理。
[0006]用来制成细胞构造的增材制造装置和系统是已知的。例如，已知熔融纤维沉积技术应用于生物材料。在熔融纤维沉积中，高粘度液体从相对较窄的孔分配并且然后通过各种手段快速凝固。生物相容性塑料、热胶凝水溶胶、可紫外线交联的聚合物和高浓度海藻酸盐已经用作三维细胞结构的支架，其中在其凝固后，将细胞添加到支架。这些技术的缺陷在于它们需要在打印之后将细胞添加到支架，使得难以控制细胞放置。另外，支架基底的组成可能并不适合便于细胞增殖和生长。
[0007]已知并且期望用于包括直接打印细胞材料的打印三维结构的系统，至少部分地是因为它们可以允许细胞沉积在三维支架内。例如，曾经使用喷墨打印技术来打印生物材料。然而，将流体液滴推进到基底上所涉及的剪切力可能会损坏在流体中分散的细胞。另外，喷墨打印是一个缓慢的过程，这使得难以适应需要具体的环境条件才能生存的生物材料。
[0008]用于在三维结构内直接打印细胞的其它系统包括美国专利No:8，639,484，其涉及使用CAD模型和三维定位单元来通过多个喷嘴逐层沉积细胞材料以创建三维物体。多个喷嘴允许许多不同的材料包括于三维物体中。美国专利申请公开No:2012/0089238公开了一种多盒打印系统以产生复合有机三维结构，其中使用至少两个注射器来建置该结构，一个注射器包括结构支撑聚合物并且另一个包括活体细胞组合物，在表面上迭代地沉积结构支撑聚合物和活体细胞组合物。美国专利申请公开No: 2014/0012407公开了一种包括一个或多个打印头的装置，每个打印头被构造成接收和保持一个或多个盒。每个盒包括流体，诸如包括细胞或支撑材料的生物墨水，以及孔，流体能通过孔从盒分配。
[0009]现有技术方法通常需要多个喷嘴和/或盒孔以便于打印多种不同材料(例如，一种材料由一个喷嘴或盒孔分配)。使用多个喷嘴来分配不同材料需要相对应地增加打印系统的移动来将适当喷嘴或盒孔以受控制的顺序定位从而分配不同的材料顺序。这种增加的移动降低了打印速度和效率。
[0010]期望避免或缓解上述缺陷中的一种或多种缺陷。
【发明内容】
[0011]在第一方面，提供一种用于三维结构的增材制造的系统。该系统包括:至少一个打印头，其用于接收和分配材料，该材料包括鞘流体和水凝胶。在一个实施例中，打印头包括:用于分配材料的孔;微流体通道，其包括用于接收和导向鞘流体的一个或多个第一通道和用于接收和导向水凝胶的一个或多个相应第二通道，第二通道与第一通道在第一交点相交，第二通道和第一通道在第一交点结合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到孔；以及，射流开关，每个射流开关对应于打印头中的微流体通道之一并且被构造成当致动时允许或不允许打印头的微流体通道中的流体流动。在一个实施例中，该系统还包括:接收表面，其用于接收从孔分配的材料的第一层;定位单元，其用于将打印头的孔定位于三维空间中，定位单元可操作地联接到打印头；以及分配装置，其用于从打印头的孔分配材料。
[0012]在第一方面的一个实施例中，该系统包括可编程的控制处理器，其用于控制定位单元和控制材料从打印头到接收表面上的分配。
[0013]在第一方面的一个实施例中，一个或多个第一通道包括至少两个通道，一个或多个第一通道被构造成在第一交点处在相应第二通道的侧部。
[0014]在第一方面的一个实施例中，鞘流体包括交联剂，其用于使水凝胶在交点和/或分配通道中与交联剂接触时凝固。
[0015]在第一方面的一个实施例中，每个第二通道具有比第一通道和分配通道的直径更小的直径，其中来自第一通道的流动形成围绕分配通道中的水凝胶的同轴鞘。
[0016]在第一方面的一个实施例中，水凝胶包括活体细胞。
[0017]在第一方面的一个实施例中，该系统还包括:流体移除特征，其用于移除从打印头分配的过量鞘流体。
[0018]在第一方面的一个实施例中，接收表面包括多孔性膜，多孔性膜包括孔隙，孔隙大小适于允许过量鞘流体从孔隙通过。
[0019]在第一方面的一个实施例中，流体移除特征包括吸收剂材料或真空，吸收剂材料或真空用于将过量鞘流体从接收表面抽走。
[0020]在第一方面的一个实施例中，吸收剂材料或真空施加在多孔性膜下方。在第一方面的一个实施例中，真空施加于接收表面上方。
[0021]在第一方面的一个实施例中，通过设置于打印头上的一个或多个真空通道来施加真空，一个或多个真空通道具有位于打印头的孔附近的孔。
[0022]在第一方面的一个实施例中，该系统还包括:用于容纳材料的储集器，储集器分别流体地联接到打印头中的微流体通道。
[0023]在第一方面的一个实施例中，打印头还包括用于接收来自储集器的材料的至少两个入口，入口中每一个与相应微流体通道和相应储集器成流体连通。
[0024]在第一方面的一个实施例中，分配装置包括压力控制单元。
[0025]在第一方面的一个实施例中，射流开关包括阀。
[0026]在第一方面的一个实施例中，打印头还包括中空突出部，中空突出部被构造成从孔朝向接收表面延伸。
[0027]在第一方面的一个实施例中，打印头包括两个第二通道，第二通道中每一个适于传送相应水凝胶，两个第二通道在第二交点相交并且在第二交点结合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交点。
[0028]在第二方面，提供一种用于三维结构的增材制造的系统，该系统包括:至少一个打印头，其用于接收和分配材料，材料包括鞘流体和水凝胶。在一个实施例中，打印头包括:用于分配材料的孔;微流体通道，其用于接收材料并且将材料导向至孔；以及，射流开关，每个射流开关对应于打印头中的微流体通道之一并且被构造成当致动时允许或不允许打印头中的微流体通道中的流体流动。在一个实施例中，该系统还包括:接收表面，其用于接收从孔分配的材料;流体移除特征，其用于移除从孔分配的过量鞘流体;定位单元，其用于将打印头的孔定位于三维空间中，定位单元可操作地联接到打印头；以及分配装置，其用于从打印头的孔分配材料。
[0029]在第二方面的一个实施例中，流体移除特征包括真空，真空用于将过量鞘流体从接收表面或者穿过接收表面抽走和/或从接收表面上分配的水凝胶抽走。
[0030]在第二方面的一个实施例中，接收表面包括多孔性膜，多孔性膜包括孔隙，孔隙大小适于允许过量鞘流体从孔隙通过。
[0031]在第二方面的一个实施例中，真空在多孔性膜的下方施加。在第二方面的一个实施例中，真空施加于接收表面上方。
[0032]在第二方面的一个实施例中，通过设置于打印头上的一个或多个真空通道来施加真空，一个或多个真空通道具有位于打印头的孔附近的孔。
[0033]在第二方面的一个实施例中，流体移除特征包括吸收剂材料，吸收剂材料从接收表面抽走过量鞘流体。
[0034]在第二方面的一个实施例中，该系统还包括:可编程的控制处理器，其用于控制定位单元和控制材料从打印头到接收表面上的分配。
[0035]在第二方面的一个实施例中，打印头还包括中空突出部，中空突出部被构造成从孔朝向接收表面延伸。
[0036]在第二方面的一个实施例中，打印头包括:一个或多个第一通道，其用于接收和导向鞘流体，以及用于接收和导向水凝胶的一个或多个相应第二通道，第二通道在第一交点与第一通道相交，第二通道和第一通道在第一交点结合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到该孔。
[0037]在第二方面的一个实施例中，打印头包括两个第二通道，第二通道中每一个适于传送相应水凝胶，两个第二通道在第二交点相交并且在第二交点结合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交点。
[0038]在第三方面，提供一种打印三维(3D)结构的方法，该方法包括:提供三维打印机，打印机包括:打印头，打印头包括用于分配材料的孔;接收表面，其用于接收从打印头的孔分配的材料的第一层；以及，定位单元，其可操作地联接到打印头，定位单元用于将打印头定位于三维空间中。在一个实施例中，该方法包括:提供待分配的材料，待分配的材料包括鞘流体和一种或多种水凝胶；向打印机编码待打印的三维结构；从打印头孔分配待分配的材料;将分配的材料的第一层沉积到接收表面上;重复沉积步骤，将随后分配的材料沉积到第一层和任何随后沉积的材料层上，从而以根据该三维结构的几何布置来逐层沉积分配的材料层；以及在沉积步骤期间或者在沉积步骤之间，在一个或多个时间点，移除由打印头孔分配的过量鞘流体。
[0039]在第三方面的一个实施例中，鞘流体包括适合于在与水凝胶接触时使水凝胶交联和凝固的交联剂，接触形成水凝胶纤维。
[0040]在第三方面的一个实施例中，鞘流体和水凝胶以同轴布置分配，其中鞘流体包封水凝胶。
[0041]在第三方面的一个实施例中，沉积步骤和移除步骤持续地执行，从而在沉积分配材料层时持续地移除过量鞘流体。
[0042]在第三方面的一个实施例中，移除步骤在沉积步骤之间和/或与沉积步骤同时间歇地执行，从而在沉积分配材料层时间歇地移除过量鞘流体。
[0043]在第三方面的一个实施例中，一种或多种水凝胶适于支持分散于其中的活体细胞的生长和/或增殖。
【附图说明】
[0044]参考附图，在下文的详细描述中，本发明的特点将变得更加显然，在附图中:
[0045]图1是本发明的打印系统的一个实施例的透视图。
[0046]图2是软件设计的物体和使用本发明的打印系统的一个实施例打印的相对应物体的透视图。
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